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含镉堆肥施用对红壤微生物量、酶活性及微生物多样性的影响

陈云  
【摘要】: 堆肥是我国农业生产的重要肥源,施用堆肥对于提供作物养分,维持土壤肥力发挥了重要作用。长期以来堆肥一直被认为是一种安全肥料,在无公害食品、绿色食品、有机食品等安全农产品生产中,均强调堆肥的施用。然而,堆肥的重要作用是以其本身无污染为前提。近年来,随着社会经济的发展和环境压力的日益增加,城市生活垃圾、畜禽粪便等堆肥原料的重金属污染问题已经非常普遍,堆肥重金属污染问题日益突出。而重金属镉在土壤中又具有较强的生物活性,容易被植物根系吸收而进入人类食物链,危害人体健康。迄今,关于含重金属的堆肥对土壤环境的污染研究较少。因此,研究重金属污染堆肥施用后对土壤微生物量、酶活性及微生物多样性的影响具有重要的意义。 本文选取了我国南方广泛分布的旱地红壤为供试材料,通过室内培养实验,采用连续提取法、PCR-DGGE技术等,探讨含Cd堆肥施用后,对红壤中微生物量(C、P)、酶活性(脲酶、过氧化氢酶、脱氢酶和酸性磷酸酶活性)、微生物多样性的影响,以及Cd在红壤中的赋存形态(可交换态、碳酸盐结合态、有机结合态、Fe-Mn氧化态、残渣态)的迁移转化及生物有效性。在理论上,进一步完善并丰富堆肥中重金属的基础研究;在实践上,为生产中堆肥的合理安全使用提供科学参考。 使用化学分析方法分析施用含Cd堆肥(浓度分别为7.8 mg/kg、8.8 mg/kg、12.8 mg/kg、17.8 mg/kg、27.8 mg/kg、67.8 mg/kg、107.8 mg/kg)对红壤微生物量、及酶活性的影响。研究结果表明:施用含Cd堆肥使红壤微生物量C、微生物量P、以及脱氢酶、过氧化氢酶、酸性磷酸酶的活性随着培养时间的延长而不断降低。相同培养时间,与对照相比,含Cd堆肥对微生物生物量P、酸性磷酸酶活性有抑制作用。然而,Cd浓度小于27.8 mg/kg堆肥,对微生物生物量C有激活作用,其激活率为0.26~98.46%;Cd浓度小于12.8 mg/kg堆肥,对过氧化氢酶活性有激活作用,其激活率为0.17~4.49%;含Cd浓度为8.8 mg/kg堆肥使红壤脱氢酶活性增加1.6~16.1%;脲酶活性在Cd浓度小于17.8 mg/kg堆肥时,其活性随着Cd浓度的增加而增加;然而,第20天时,Cd浓度大于27.8 mg/kg的堆肥对脲酶活性有抑制作用,其抑制率为0.81~2.65%。 应用连续提取法和PCR-DGGE技术,探讨了含Cd堆肥(浓度分别为7.8mg/kg、12.8 mg/kg、107.8 mg/kg)施用后,Cd在红壤中各赋存形态的迁移转化以及对微生物多样性的影响。研究发现:相同培养时间内,12.8 mg/kg Cd和107.8mg/kg Cd堆肥处理中可交换态Cd、碳酸盐结合态Cd、铁锰氧化态Cd含量均大于对照处理,其含量分别增加0.88~10.12 mg/kg、0.19~2.58 mg/kg、0.47~1.9 mg/kg;而有机结合态Cd随着堆肥中Cd浓度的增加而逐渐减少,其降低了0.05~0.34mg/kg;残渣态Cd变化不明显。DGGE指纹图谱表明:含Cd堆肥对红壤微生物有一定程度的影响。相同培养时间时,含Cd堆肥对微生物多样性影响小。随着培养时间的延长,微生物多样性发生变化,培养前14天,DGGE指纹图谱中的条带如e、g、l、n亮度增强,且在培养第7天,出现新增条带(h、r、A、B、C、D);培养28天后,A、B、C等条带逐渐消失,说明含Cd堆肥对微生物种群有毒害作用。各泳道条带进行相似性(Cs)分析发现,培养前期不同处理中微生物DNA基因相似性逐渐增加,最大值为94%;而培养后期不同处理之间红壤微生物DNA基因型相似性不断减低,减低到76.4%.Shannon指数和Cd赋存各形态之间的相关系数表明,对照处理对微生物多样性的影响不明显;12.8 mg/kg Cd堆肥处理中,碳酸盐结合态Cd对微生物有激活作用;107.8 mg/kg Cd堆肥处理中,可交换态、碳酸盐结合态对微生物有抑制作用。 综上所述,含Cd堆肥对微生物生物量P、酸性磷酸酶活性有抑制作用;小于27.8 mg/kg Cd堆肥对微生物生物量C有激活作用;小于12.8 mg/kg Cd堆肥对过氧化氢酶活性有激活作用;8.8 mg/kg Cd堆肥对脱氢酶活性有激活作用;脲酶活性在Cd浓度小于17.8 mg/kg堆肥时,其活性随着Cd浓度的增加而增加。Cd在红壤中各赋存形态发生了迁移转化,DGGE指纹图谱说明碳酸盐结合态Cd对微生物有激活作用在12.8 mg/kg Cd堆肥处理中;可交换态Cd、碳酸盐结合态Cd在107.8mg/kg Cd堆肥处理中对微生物有抑制作用。


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